2º ano


2º ano do Ensino Médio
Atividade 3
A EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE CALOR

O homem das cavernas, ao usar o fogo para se aquecer e cozinhar, foi provavelmente quem primeiro tentou entender o mistério do "calor". Os filósofos gregos dos séculos VI, V e IV a.C, EMPÉDOCLES, ARISTÓTELES e outros, acreditavam que o fogo, ao lado da água, da terra e do ar, era um dos elementos formadores da natureza. Essas ideias sobreviveram por quase dois mil anos, incluindo-se nesse período os alquimistas, que admitiam ter o fogo um poder extraordinário para levá-los ao encontro da pedra filosofal e do elixir da vida.
Apenas em 1661, o químico irlandês ROBERT BOYLE (1627-1691), contemporâneo de Newton, em sua obra O químico cético, combateu as ideias dos alquimistas, emitindo com precisão o conceito de elemento químico. Entretanto, Boyle ainda incluía o fogo como um desses elementos.
Alguns anos depois, GEORG STAHL, o médico do rei da Prússia, criou a ideia do flogístico. Segundo ele, o flogístico era o princípio do fogo. Um corpo ao ser aquecido, recebia flogístico; ao se resfriar, o corpo perdia flogístico.
JOSEPH PRIESTLEY (1733-1809), químico inglês, era liberal em política e religião, mas conservador em ciência, defendendo a teoria do flogístico. Entretanto, ao descobrir o oxigénio (que chamou de ar deflogisticado), permitiu ao notável químico francês ANTOINE-LAURENT LAVOISIER (1743-1794) derrubar definitivamente, em 1777, a teoria do flogístico, explicando a combustão como uma simples reação com o oxigênio.
Lavoisier introduziu o termo calórico para descrever o elemento imponderável responsável pelo aquecimento dos corpos, por algumas reações químicas e por outros fenômenos. Em colaboração com PIERRE-SIMON LAPLACE (1749-1827), fez importantes estudos sobre o calor liberado na combustão. Sobre sua trágica morte na guilhotina, seu contemporâneo JOSEPH-LOUIS LAGRANGE (1736-1813) comentou: "Talvez um século não baste para produzir uma cabeça como essa, que se levou apenas um segundo para cortar".
O médico escocês JOSEPH BLACK (1728-1799), assim como Lavoisier, entendia o fluido calórico como uma substância que podia combinar-se quimicamente com a matéria. Segundo ele, quando entre o corpo e o calórico havia uma simples mistura, a temperatura aumentava, sendo perceptível a presença do calor: era o calor sensível. Quando o calórico se combinava quimicamente com a matéria, ele "desaparecia", não produzindo variação de temperatura: era o calor latente. Um exemplo dessa "reação química" com o calor aconteceria nas mudanças de estado: gelo + calórico —> água.
Apesar de suas ideias não corresponderem à realidade, como ficaria comprovado mais tarde, Black teve o mérito de entender o calor como uma quantidade, definindo a unidade até hoje usada para medi-lo: a caloria. Introduziu ainda os importantes conceitos de capacidade térmica e calor específico.
A ideia atual de que o calor é energia nasceu com o americano radicado na Alemanha BENJAMIN THOMPSON (1753-1814), o conde de Rumford, que, em 1799, ao pesquisar a perfuração de canhões numa fábrica de armas na Baviera, percebeu que o aumento de temperatura que ocorria no material perfurado só poderia provir da energia mecânica das brocas. A equivalência entre calor e energia mecânica foi determinada por JULIUS ROBERT MAYER (1814-1878) em 1842 e, com mais precisão, por JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889) em 1843. O relacionamento definitivo da energia térmica com a energia cinética das moléculas foi estabelecido em 1857 pelo físico alemão RUDOLPH CLAUSIUS (1822-1888).
A EXPERIÊNCIA DE JOULE
James Prescott Joule nasceu em 1818, em Salford, Inglaterra. Filho de um próspero cervejeiro, pôde se dedicar a uma vida de investigação, sem se preocupar com dinheiro. Joule realizou diversas pesquisas que contribuíram para a elaboração conceitual do princípio da conservação da energia.
Durante um período de sua vida, Joule dedicou-se à construção de diversos experimentos, com o objetivo de demonstrar que com a diminuição da energia mecânica haveria transferência de certa quantidade de energia (calor) em igual valor.
Seu invento mais conhecido consistia em um dispositivo no qual duas massas presas por um fio passavam por duas roldanas, conforme mostra a figura acima.
De acordo com o movimento de descida das massas, o sistema de aletas girava fazendo com que a temperatura da água no interior do recipiente aumentasse. Como as áreas de contato eram bem lubrificadas, a diminuição da energia potencial gravitacional das massas fazia com que a água ficasse mais “agitada”, isto é, havia um aumento de sua energia cinética.
A partir do momento em que as massas parassem, a água entraria em repouso. Joule observou que a temperatura da água aumentava e isso correspondia a um aumento de sua energia interna. Em outras palavras, o trabalho realizado pela força da gravidade era convertido em aumento da energia interna.
Joule pôde estabelecer uma relação entre o trabalho e a quantidade de energia transferida na forma de calor (ou o equivalente mecânico do calor, como também é denominado). Dessa forma, determinou, pelas massas, a variação de altura e o trabalho realizado pela força da gravidade; e calculou, pelo ΔQ, a variação da energia interna sofrida pela água. Ele estabeleceu que 4180 J de energia correspondiam a 1000 cal, ou seja, 1 cal equivale a 4,18 J.
Questões (copiar e responder no caderno)
1. Pesquisa mais sobre o que é calor nas ideias de flogístico e calórico? 
2. De onde surgiu o conceito atual de calor?
2. O que comprovou a experiência de Joule?
3. Recorte e cole em seu caderno alguma embalagem que forneça o valor energético em quilocalorias e em quilojoules. A equivalência de 1cal = 4,18 J está correta? justifique.



Atividade 2
Comportamento anômalo da água

Diferentemente de outras substâncias, que dilatam quando aquecidas e se contraem quando resfriadas, a água quando esfriada à uma temperatura entre 4°C e 0°C, tende a expandir e, por conseguinte, aumentar seu Volume.

Isso devido sua formação molecular: formada por Ligações de Hidrogênio que reagem à elevação de temperatura acima de 0°C, rompendo-se; quando isso ocorre, suas moléculas se aproximam uma das outras, reduzindo o volume.
Sendo assim, quando a água que estava à temperatura ambiente começa a ser resfriada no congelador, as Ligações de Hidrogênio se rompem e suas moléculas começam a ocupar um espaço maior que quando estava em estado líquido.


De 4°C até 0°C, o processo de dilatação da água continua em progresso. Com um volume maior do que o suportado pela garrafa, a água começa a pressionar o recipiente, de dentro para fora, e com isso acontecendo regularmente, vai chegar uma hora em que a garrafa não vai mais suportar e romperá. (Vale tanto para garrafas de plástico quanto para as de vidro. Com a diferença que o vidro se quebra mais pela ação de sua própria contração quando resfriado, do que pela ação da água.)
Curiosidade
Em países que costumam apresentar temperaturas muito baixas, a ponto dos lagos congelarem, é essa propriedade da água que evita que o lago todo congele e se torne um enorme bloco de gelo.
Tendo sempre em mente que Densidade é inversamente proporcional ao Volume, a explicação é dada em 3 partes:
Temperatura superior à 4°C: A superfície do lago congela, seu Volume diminui e sua Densidade aumenta. Ocorre Convecção Térmica entre a porção superior da água (mais densa) e a porção inferior (menos densa). A porção mais densa desce e se “aquece”, enquanto a porção menos densa sobe e “resfria”; o processo acontece continuamente. Com essa “movimentação” das porções de água, a temperatura se torna uniforme, de modo a evitar que o lago todo congele.
Temperatura entre 4°C e 0°C: A água se expande, seu Volume aumenta, sua Densidade diminui e as correntes de convecção são interrompidas.
Temperatura abaixo de 0°C: A água volta a se comportar como a maioria dos líquidos. Quanto mais a temperatura diminui, menor é o Volume da água e maior é sua Densidade. Desse modo, o processo descrito na “Temperatura acima de 4°C” volta a ocorrer e as correntes de convecção voltam a manter a temperatura do lago uniforme.
Sobrefusão ou superfusão?
A sobrefusão é um fenômeno que consiste em resfriar um líquido, lentamente e sem pertubação, abaixo de sua temperatura de fusão (ponto onde uma substancia passa de líquido para sólido e vice-versa), sem que ele passe para o estado sólido. Este acontecimento é explicado admitindo que o líquido sobrefundido se encontre em estado de equilíbrio meta-estável, onde apesar de estar em temperaturas abaixo do mínimo para se manter líquido, ainda há calor retido em seu interior suficiente para o manter líquido, formando cristais apenas ao redor de impurezas. Esta explicação é justificada pelo fato de que qualquer pertubação que o líquido é submetido (seja uma partícula em contato, ou uma movimentação), ele solidifica-se completa e instantaneamente.
Portanto, não pense que é mentira se você ver em algum lugar, freezers armazenando água ou cerveja à – 6 oC, lá eles estão quietos e sendo resfriados lentamente, por isso não cristalizam, isso até alguém chegar com sua mão e liberar a reação.
Questões (copiar e responder no caderno)
1. Pesquise como a água não congela nos encanamentos em países de inverno rigoroso? e nos veículos? (cite a fonte)
2. Analise a foto abaixo e explique fisicamente de como é possível.




Atividade 1 

Dilatometria no cotidiano

Em 11 de junho de 1996, véspera do Dia dos Namorados, as centenas de pessoas que circulavam pelo Osasco Plaza Shopping, na Grande São Paulo, viveu um dia de horror, que comoveu todo o País. O gás que passava na tubulação abaixo do piso da praça de alimentação vazou e, pelo contato com alguma faísca, fez voar parte do prédio. A explosão matou 42 pessoas e feriu 372.
Semanas antes da explosão, clientes e funcionários reclamavam do forte odor de gás de cozinha que havia na praça de alimentação. A administração do shopping chegou a chamar técnicos da distribuidora, na época a Ultragás, para averiguar se havia vazamento na rede. Entretanto, mesmo após duas visitas, nada foi constatado. A administradora resolveu então chamar técnicos da concorrente Liquigás, mas nada encontraram também. 
A principal causa apontada para a explosão foi a falta de ventilação no porão onde se encontrava a tubulação de gás. Porém, durante a perícia, foram constados outros erros, dentre eles o fato de o local da instalação de gás não ter sido o previsto no projeto e o uso de roscas, tubulações e vedações inadequadas. 
A administradora do shopping e a construtora entraram numa batalha judicial, relegando a culpa entre elas. Em 1999 foram condenados por negligência o diretor comercial do shopping, Marcelo Marinho Zanotto e os engenheiros Antônio das Graças Fernandes, Rubens Molinari, Edson Pope e Flávio Camargo. Em 2005, quase 10 anos após o acontecido, o Tribunal de Justiça de São Paulo absolveu os quatro engenheiros. 
A reforma foi estimada em cinco milhões e muitos comerciantes perderam tudo. A administradora do shopping afirmou ter pagado cerca de R$ 25 milhões em indenizações, tendo ressarcido os danos de todos os acidentados, mesmo assumindo a postura de culpar a distribuidora Ultragás pela tragédia. 
Ao sofrer uma variação de temperatura, todas as dimensões de um corpo se alteram, microscopicamente a dilatação térmica explica-se pela modificação dos espaços intermoleculares. Quando a temperatura aumenta, cresce a agitação molecular: a consequência imediata é o aumento da distância média entre as moléculas, o que se traduz, macroscopicamente, por um aumento nas dimensões do corpo. Raciocínio análogo pode ser feito para explicar a diminuição das dimensões do corpo quando sua temperatura diminui.
Para o comprimento de uma barra, trilhos, tubos, fios, qualquer distância entre dois pontos considerada falamos em dilatação térmica linear e para isso devemos deixar juntas próprias para não causar danos materiais e vitimas como ocorreu na tubulação de gás no shopping de Osasco.
Modelos de juntas de dilatação térmica linear para tubulações

Questões (copiar e responder no caderno)

1. Qual foi a causa do acidente no Shopping Osasco em 1996 e como poderia ser evitado?

2. Uma tubulação de 5000 metros pode sofrer variação de temperatura de até 50º C no subsolo. Determine o comprimento final de cada tubulação feita dos metais da tabela abaixo.
3. Explique o funcionamento do radiador nos veículos e a utilização da mangueira sanfonada em destaque na cor azul da foto abaixo.



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